核電源

[拼音]：tanxianwei

[英文]：carbon fibre

含碳量在90％以上的高強度高模量纖維。含碳量在99％以上的稱為石墨纖維。碳纖維具有元素碳的各種優良效能，如比重小、耐熱性極好、熱膨脹係數小、導熱係數大、耐腐蝕性和導電性良好等。同時，它又具有纖維般的柔曲性，可進行編織加工和纏繞成型。碳纖維最優良的效能是比強度和比模量超過一般的增強纖維，它和樹脂形成的複合材料的比強度和比模量比鋼和鋁合金還高 3倍左右。碳纖維複合材料應用在宇宙飛船、導彈和飛機上，可以顯著減輕重量，提高有效載荷，改善效能，是航天工業的重要結構材料。由於成本降低，碳纖維已逐步擴大用在民用工業，如汽車工業和運動器材等方面。1981年世界碳纖維產量約為1500噸，日本的產量佔一半以上。

目前各國工業用的碳纖維原料有聚丙烯腈纖維、粘膠絲和瀝青纖維三種。聚丙烯腈基碳纖維效能好，炭化得率較高(50～60％)，因此以聚丙烯腈製造的碳纖維約佔總碳纖維產量的95％。以粘膠絲為原料制碳纖維炭化得率只有20～30％，這種碳纖維鹼金屬含量低，特別適宜作燒蝕材料。以瀝青纖維為原料時，炭化得率高達80～90％，成本最低，是正在發展的品種。根據使用要求和熱處理溫度的不同，碳纖維分為耐燃纖維、碳纖維和石墨纖維。例如300～350℃熱處理時得耐燃纖維；1000～1500℃熱處理時得碳纖維，含碳量為90～95％；碳纖維經2000℃以上高溫處理可以製得石墨纖維，含碳量高達99％以上。

最早的碳纖維是1880年由愛迪生研製成功的，用作電燈絲。後直到50年代初，隨著空間技術的發展，需要有優良效能的結構材料，許多工業發達國家開始重視碳纖維的研究工作，到60年代獲得迅速的發展。

碳纖維是將原料纖維在一定的張力、溫度下,經過一定時間的預氧化、炭化和石墨化處理等過程製成的。以聚丙烯腈纖維為原料的碳纖維，在預氧化過程中，聚丙烯腈原絲中含氧化合物是炭化初期分子間交鏈反應的主因，氧是環化反應的催化劑，加熱形成熱穩定性的梯形結構。炭化和石墨化都是在氮氣中進行的，炭化反應是使非碳元素藉分子間交鏈反應揮發出來。在熱處理過程中，大量氣體揮發後形成更多的石墨層狀結構，強度增大，模量增加，導電性也提高。纖維先由白色變為黃色，繼而呈棕黃色，最後變為黑色。碳纖維中石墨層狀結構如圖1 所示。為了改進複合材料中碳纖維和樹脂的粘結，須進行表面處理，即在緩和條件下進行氧化或晶須化。

碳纖維中碳原子呈層狀結構，它的製造過程就是從有機聚合物製成層狀結構聚合物的過程。圖2 中a是以纖維素纖維為原料,隨著纖維素大分子的分解，大分子之間生成許多橋鍵，初步形成環狀結構；b是以聚丙烯腈纖維為原料，首先大分子本身環化,經過梯形結構再縮合成層狀結構；c是以瀝青為原料時,利用瀝青的多環芳香結構，先結合成高分子物，再生成層狀結構聚合物的過程。

碳纖維絲束中單絲根數有1000、3000、6000、10000和10000以上的,現正向多孔無拈絲束方向發展。碳纖維的理論強度為2000公斤/毫米2,目前聚丙烯腈基碳纖維產品已達到350公斤/毫米2,最高可達500公斤/毫米2。低效能瀝青基碳纖維已達到 170公斤/毫米2。近年又發展了所謂中間相瀝青碳纖維，製造出高效能碳纖維。低效能瀝青基碳纖維可代替石棉增強水泥。